duurzaam mierenzuur via elektrochemische CO2-reductie
Oxylum zet kooldioxide om in duurzame chemicaliën
Oxylum – een spin-off van UAntwerpen – ontwikkelt CO2-conversietechnologie, gericht op de productie van duurzame chemicaliën. Het in Antwerpen gevestigde bedrijf vertrekt van kooldioxide en water en synthetiseert hieruit bouwstenen voor duurzame chemicaliën (reinigingsmiddelen, kunststoffen en brandstoffen) door middel van (hernieuwbare) elektriciteit. Oxylum wil met deze technologie bedrijven helpen om koolstofneutraal te worden.
zoektocht naar koolstofneutraliteit
"Koolstof is het basisatoom in planten en dieren, maar het zit ook in onze kleding, fietsen, auto's, telefoons, gebouwen ...", steekt CEO Bert De Mot van wal. Helaas halen we de koolstof uit fossiele brandstoffen, en de daarmee gepaard gaande stijgende CO2-concentratie in de atmosfeer veroorzaakt een gevaarlijke opwarming van de aarde.
"Bedrijven moeten meehelpen aan het herstellen van de balans die we ooit hadden met de natuur. En daar komt onze nieuwe elektrochemische CO2-reductietechnologie op de proppen", vult CTO Sander Neukermans aan. "Onze technologie kan bedrijven begeleiden in hun zoektocht naar koolstofneutraliteit."
Beide heren hebben een doctoraatsstudie afgerond in de Onderzoeksgroep Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT) van professor Tom Breugelmans (UAntwerpen, Faculteit Toegepaste Ingenieurswetenschappen).
Geïnspireerd door de natuur
De naam Oxylum is afgeleid van Oxylos, de Griekse god van de bossen en de bergen. Voor de ontwikkeling van zijn technologie vond het bedrijf zijn inspiratie dan ook in de natuur. Boombladeren zetten door middel van licht CO2 en water om in zuurstof en energie (suikers). Oxylum gebruikt hernieuwbare elektriciteit in plaats van licht en zet de grondstoffen om in duurzame, hoogwaardige chemicaliën: reinigingsmiddelen, kunststoffen en brandstoffen.
Duurzamere productie van mierenzuur
Een van de stoffen die Oxylum produceert via elektrochemische CO2-reductie is mierenzuur.
Er bestaan meerdere manieren om mierenzuur te maken op basis van kooldioxide door middel van elektrolyse. Bij de indirecte methode scheidt men op deze manier water in zuurstof en waterstof, waarna het gevormde waterstof in aanwezigheid van kooldioxide wordt omgezet in mierenzuur. Bij de directe methode, toegepast door Oxylum, gebeurt de vorming van mierenzuur rechtstreeks uit water en kooldioxide.
Heel wat mierenzuur is afgeleid van aardgas. In Europa is Duitsland (BASF) de grootste producent van mierenzuur volgens dit proces. Duitsland wil zijn aardgasafhankelijkheid echter afbouwen, iets waar de technologie van Oxylum kan bij helpen.
"Nu zijn we klaar om onze technologie uit het lab te halen en de toekomst van de chemie te tonen"
"Voortbouwend op meer dan tien jaar onderzoekservaring in de elektrochemie hebben we ultramoderne katalysatoren en reactoren ontwikkeld om de elektrochemische CO2-reductie optimaal uit te voeren", vervolgt Neukermans. "Nu zijn we klaar om onze technologie uit het lab te halen en de toekomst van de chemie te tonen."
In een labo van Oxylum staat een proof of concept elektrolyser. Daarin staan membranen en elektroden achter elkaar in het elektrolyt. In dit elektrolyt stroomt kooldioxide binnen, dat hierin oplost. De combinatie van elektriciteit en een katalysator zorgt voor de omzetting van de kooldioxide in mierenzuur.
De betreffende reactievergelijking is: 2 H2O + 2CO2 → 2HCOOH + O2. De reactie-enthalpie (DHR) is +269,5 kJ/mol. De reactie is dus endotherm en elektriciteit levert de benodigde energie.
Na een lichte verbetering van de efficiëntie is het via hun proces mogelijk om op kostprijs te concurreren met mierenzuur gemaakt uit aardgas. Dit hangt vooral af van de katalysator, die Oxylum nog geheimhoudt.
Obstakels
De grootste obstakels zijn het stabiliseren van de katalysator – voor een voldoende lange levensduur – en het verminderen van de elektrische weerstand van de elektrolyser. Die weerstand komt met name van het materiaal van de membranen en van de elektrode. Die laatste is koolstofgebaseerd, en testen moeten uitwijzen of een metaal beter zou dienen, maar dit mag niet ten koste van de functie gaan.
De huidige dagelijkse opbrengst is één kilogram. Bij stacken van de cellen (meerdere cellen aan elkaar verbinden) verwacht het bedrijf een opbrengst van een vijf à tien kilogram per dag.
De eerste versie van deze grote elektrolyser is bijna klaar en wordt voorzichtig getest en is bijna op de gewenste efficiëntie. Momenteel wordt nog gewerkt aan de opschaling van de elektrode om het oppervlak meer dan te vertienvoudigen.
TOEPASSINGEN VAN MIERENZUUR
Mierenzuur (oftewel methaanzuur) is een kleurloze vloeistof met een penetrante geur bij kamertemperatuur, vergelijkbaar met het verwante azijnzuur, maar zo’n tien keer sterker. Het wordt onder meer gebruikt om kalkaanslag in wc's en sanitair te verwijderen, als conserveermiddel in de landbouwindustrie, of als intermediair in de farmaceutische of de textielindustrie en bijvoorbeeld ook in de luchtvaart om de landingsbaan ijsvrij te houden.
Een van de eerste toepassingen waarrond Oxylum werkt, is die van mierenzuur als schoonmaakmiddel. Zo zijn er al afspraken met producenten van ontkalkers die het product testen op kwaliteit en verontreinigingen. Hierop kan het proces worden aangepast. Parallel bekijkt het ook al andere toepassingen van zijn duurzaam geproduceerde mierenzuur.
Duurzaam ETHYLEEN
"In tweede instantie willen we CO2 ook gebruiken om ethyleen te maken", aldus De Mot. "Dat is een basisgrondstof in de industrie, bijvoorbeeld voor de productie van plastics. Ethyleen wordt momenteel ook uit aardolie gewonnen."
"Er bestaan wel bioplastics, maar het probleem is dat die eigenschappen toch niet helemaal gelijk zijn aan de eigenschappen van het huidige plastic, wat problemen veroorzaakt. Door ethyleen hernieuwbaar te maken, kunnen we exact dezelfde plastics als nu maken op moleculair niveau, maar in plaats van te vertrekken van aardolie, vertrekken we van CO2."
Klimaatneutrale brandstof
Ook de productie van e-fuel staat bij Oxylum op de agenda. Moleculen zoals methanol en ethanol, naast ook conventionele brandstoffen (kerosine, benzine en diesel) uit hernieuwbare bronnen helpen de 'net zero by 2050'-doelstellingen bereiken. Elk daarvan kan tot stand komen via elektrochemische synthese op basis van CO2.
Pilootinstallatie in Haven van Antwerpen
"Het einddoel is een pilootinstallatie in een industriële cluster, zoals de haven van Antwerpen", blikt De Mot vooruit. "Zo kunnen we de CO2 van een fabriek omzetten in producten die meteen in de haven kunnen gebruikt worden."
"We willen de technologie de komende jaren opschalen tot een volwaardige pilootinstallatie voor een jaarlijkse productie tot 2.000 ton mierenzuur"
"Nog dit jaar proberen we een installatie van 1 kilowatt te maken, waarmee we dagelijks tot enkele kilo's mierenzuur kunnen produceren. Die installatie moet dan dienen als lanceerplank om de technologie de komende jaren op te schalen tot een volwaardige pilootinstallatie voor een jaarlijkse productie tot 2.000 ton mierenzuur."
De grootste concurrent van Oxylum is Twelve in de VS, dat een gelijkaardige technologie ontwikkelt. De Mot juicht concurrentie echter alleen maar toe. "Er zit voldoende CO2 in de lucht, en wij alleen gaan het CO2-probleem niet oplossen."
